无人机空中充电智能系统研究

安红恩，杨少沛（通信作者），许 强

（黄河交通学院机电工程学院 河南 焦作 454950）

0 引言

近年来，无人机的发展越来越快，无人机具有许多优点，比如结构简单、体积小、重量轻、操作方便、飞行灵活，且成本低、不会造成人员伤亡，常应用于摄像、遥感、勘察、监测中，而且在灾害预警、天气预报中，甚至在军事领域和现代战争中都有应用。为无人机提供飞行动力的设备目前主要是锂电池，其中3S锂电池是最常见的一种。因为受限于无人机自身的重量和锂电池本身的容量，无人机飞行的时间都不是很长，如何提高无人机的续航能力就成了一个亟待解决的问题。

2018年11月，南方科技大学力学与航空航天系团队带来了最新的研究成果，这款名为“苍鹭”的无人机可实现“充电一小时、飞行百公里”，是物流无人机领域不折不扣的“节能王”[1]。

2018年11月，中国在一项新技术——短距离激光充能技术上的突破，使这一猜想成为现实。据媒体报道，中国已经能够使用光纤供电系统发射自由电子激光束系统来进行远程激光能量传输。在实验中，远程激光充电系统成功地将我军小型无人机的续航时间从2 h提高到了48 h，实现24倍的提升。因此，只要未来的无人机装备了可靠的远程激光充电系统，就不再需要安装巨大的燃料箱或电池舱，这可以大大减轻无人机的重量，使其更加灵活，并能连续作战。

1 无人机空中充电主要研究内容

1.1 无人机空中无线充电系统研究

早在1980年左右，无线电能传输技术就引起了人们的关注，第一个开始做实验的人是美国电气工程师尼古拉斯·特斯拉，他利用交流电并且在没有导线连接的情况下，点亮了远处的一个白炽灯[2]，揭开了无线充电的序幕，由此而产生了一种线圈即特斯拉线圈。

空中充电系统的设计是无人机空中无线充电系统的主要部分，其他还有无线电能发送模块、无线电能接收模块的设计，电源检测系统的设计，抗干扰系统设计，通信识别模块设计，让无人机空中飞行时在一定距离内可以接收到电源信号进行无线充电。空中无线充电技术主要应用在无人机物流配送上，在飞行路线的必经之路上设置充电设备，让无人机一边飞行一边充电，或在机场内进行无线充电。磁感应充电方式和磁共振充电方式是无线感应充电方式的主要形式。磁感应充电的基本原理是法拉第的电磁感应定理，变化的磁场和变化的电场之间有对应关系。导体在磁场中做切割磁感线运动，就能感应出电动势，因此，可以通过耦合变压器来实现无线充电的目的，达到电能的无线传送。在磁感应充电方式中，接收线圈通过接近发射线圈的方式感应其中的电流变化，从而实现能量的传输，磁感应式充电方式原理简单，充电距离却很短，最大距离通常只有数厘米。磁共振充电方式在磁感应的基础上要求发射线圈与接收线圈具有相同的共振频率[3]，从而提高充电效率。磁共振充电方式的距离相比磁感应方式则要大很多，甚至能够达到数米的范围。所以，应用于无人机的无线充电方式多为磁共振方式，见图1。

无线感应充电技术对于无人机的无人值守自主充电有一定的意义。通过在通信用无人机的工作区域内部署一定数量的无线充电站，能够在一定程度上保障无人机的能源供应。但是无人机仍需要飞行到充电站点才能实现能源的补充。

对于常见的S-S（series-series）结构，S-S WPT系统结构框图见图2。由图2可知，发射线圈的电流Ip为

在式（1）中，Ip为发射线圈的电流，Cp和Cs为变压器原边和副边的等效电容，Lp和Ls为变压器原边和副边的等效电感，Rp和Rs为变压器原边和副边的等效电阻，M为变压器原边和副边的互感值，经研究M大于等于6.57 μH。Uin为输入信号电压，ω为角频率，Rl为负载。Uin、Cp、Lp、Rp、Ip组成发射线圈电路，Ls、Cs、Rl、Rs组成接收线圈电路。

当Rs很小、Rl无穷大时，则很小，又因为Rp值同样很小，此时发射线圈电流Ip将会很大，严重时甚至会烧毁逆变器等前级电路。显然对于无人机的停靠充电是一个问题，而添加硬件控制电路不仅可靠性有待检验，硬件花销也会大大增加[4]。

为了避免上述这种情况，可采用LCC-S拓扑来作为无人机无线充电系统的拓扑结构。LLC-S WPT系统实验框图见图3。VT1-VT4为MOSFET，Rp为发射线圈内阻，Rs为拾取线圈内阻，Rl为等效负载。

在图3中，Ip为发射线圈的电流，Udc为输入信号电压，ω为角频率，VT1-VT4为MOSFET，C1和L1为寄生电容和电感，Cp和Cs为变压器原边和副边的等效电容，Lp和Ls为变压器原边和副边的等效电感，Rp和Rs为变压器原边和副边的等效电阻，M为变压器原边和副边的互感值。RL 为负载。Udc、VT1-VT4、C1、L1、Cp、Lp、Rp、Ip组成发射线圈电路，Ls、Cs、Rl、Rs组成接收线圈电路。MOSFET VT1-VT4构成类似单相桥式整流电路，可以有效防止发射线圈电流Ip过大而烧坏输入信号电压和输入线圈。

微波充电是把电能加载到微波上，使用微波发射天线来发射带有电能的微波，再用接收天线来接收带有电能的电磁波，然后通过其他还原装置如微波整流器等转换为电能，这就是微波充电技术。在这个过程中，通过空气把电能从发射端输送到负载侧，由于微波具有穿透性，所以微波辐射式无线电能传输技术适用于距离比较远的电能传输[5-7]。

太阳能光伏发电技术已经发展多年，属于新能源技术，太阳能技术也早就用在无人机上，把无人机的框架外露部分做成太阳能充电板或者直接加上太阳能充电板，增大太阳能电池板的光照面积，就可以发电、充电，实现无人机续航能力的提高，见图4。

目前常用的太阳能无线充电电路是ICPT系统，其系统的组成见图5，直流电源经过高频逆变电路产生的高频交流电进入补偿网络，依靠松耦合变压器两个线圈之间的耦合进行能量传递，原边线圈中的高频交流电，产生高频的交变磁场，在副边产生感应电动势，从而达到无线电能传输的目的，最后经过副边补偿网络和高频整流电路达到负载[8-9]。

直流电经过高频逆变或工频交流电经过整流和高频逆变处理后才能够原边发射电路使用，常用的高频逆变器有全桥、半桥、推挽和单管逆变电路。

由于云层厚度以及风速和太阳光线的影响，光伏电池和太阳能充电的局限性还很大，充电效率低等问题需要解决。

1.2 无人机智能控制系统优化设计

利用无人机自身携带的GPS模块和电源检查模块等装置，实时监测路况信息和自身电源电量信息，自动做出最佳选择，如飞行路线（如最短飞行路线或沿途有机场的飞行路线）选择或飞行状态（飞行速度、飞行高度）选择。当接收到相关指令或有突发情况出现时，或自动选择就近机场降落或进行线路改道或进行空中充电等进行最有效操作[10-11]。

1.3 双电源控制的稳态数学模型研究和工作模式与休息模式充电方式研究

双电源控制的稳态数学模型研究可以有效地对主电源和备用电源进行电量控制，提高电源的利用率，从而有效提高无人机的续航能力。主电源在工作时对备用电源进行充电，当主电源电量下降到最低值时切换为备用电源开始工作，主电源开始充电；备用电源在工作时对主电源进行充电，当备用电源电量下降到最低值时切换为主电源开始工作，备用电源开始充电，周而复始。工作模式中可以实现快速充电，休息模式中可以实现自己主动寻找充电设备进行有线充电或无线充电。

1.4 无人机机场优化构建

利用现有条件，如无人机需要经过的居民楼顶或路灯、电线杆等设备作为无人机停靠机场，在为无人机休息、货物转场、简单快速维修时提供充电服务（有线充电无线充电均可），必要时母机可以从机场起飞，陪伴工作无人机飞行，进行充电。

2 无人机空中充电的关键技术

（1）无人机空中充电技术。该技术主要指无线充电技术，即主要研究电能的发射和接收。磁耦合感应式无线电能传输技术是无线充电的基础，适合近距离传输，对无人机空中充电的研究有重大意义。

（2）设计整个无人机智能控制系统。充电部分包括基于双边的LCC磁耦合感应式无线充电系统，逆变电路、驱动电路、整流滤波电路、DC-DC电路等。关键技术包括实时监测、飞行路线、飞行状态等。

（3）解决无人机机场选址问题，优化无人机充电方式。在无人机的飞行路线上寻找合适的地点建立充电机场，例如路灯灯杆或者建筑物的房顶，采用阿德兰启发式算法对机场进行计算，确保达到最佳效果。

3 结语

本文主要论述了无人机空中充电技术，重点论述了无线充电技术，无线充电技术主要包括无线感应充电技术和光伏充电技术，在此基础上讨论了智能控制系统设计、双电源控制技术与模式变换和无人机机场优化构建问题。同时探讨了空中充电的关键技术，具有一定的应用价值。